## Simulasi Distribusi Kecepatan Aliran Uap Melalui Turbin Ventilator Valve yang Mengenai Permukaan Pipa Kondensor dengan Penambahan Sheet Protection Berbentuk Chevron
M. Fajar Ramadhan dan Djatmiko Ichsani
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail : djatmiko_ichsani@me.its.ac.id
Abstrak—Kondensor  merupakan  alat  penukar  panas yang  dapat  digunakan  untuk  memanfaatkan  atau mengambil  panas  dari  suatu  fluida  untuk  dipindahkan  ke fluida  lain.  Jenis  kondensor  yang  digunakan  pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah Twin Shell Single  Pressure  Surface  Condenser.  Kondensor  merupakan salah satu komponen penting dalam siklus Rankine, apabila kondensor  tidak  berfungsi  maka  suatu  pembangkit  listrik tidak  dapat  beroperasi.  Penelitian  dilakukan  dengan menganalisis  distribusi  kecepatan  dan  temperature  uap dari  turbin  ventilator  valve  menuju  kondensor  setelah melalui  steam  deflector  dengan  dan  tanpa  adanya  sheet protection.  Fluida  kerja  yang  digunakan  berupa  uap  air dengan  kecepatan  1374.25  m/s  yang  dimodelkan  sebagai fluida  yang  mengalir  pada  suatu  pipa  kemudian  mengenai steam  deflector  sebelum  memasuki  kondensor.  Studi numerik  dilakukan  secara  3  (tiga)  dimensi  dengan  kondisi aliran  steady  dan  turbulen  dengan  prinsip  Computational Fluid  Dynamic  (CFD)  menggunakan  perangkat  lunak GAMBIT  2.4.6  untuk  tahapan  permbuatan  domain  dan disimulasikan  dalam  perangkat  lunak  FLUENT  6.3.26. Dari  hasil  simulasi  menggunakan  FLUENT  6.3.26  bisa didapatkan  karakteristik  aliran  berupa  visualisasi  aliran berupa  kontur  kecepatan,  vector  kecepatan  dan  distribusi kecepatan pada permukaan pipa condenser dengan variasi ketinggian  sheet  protection.  Variasi  pertama  sheet protection terletak di y = -1 m, kedua y =  -1.2 m dan yang ketiga  y  =  -1.5  m.  Setelah  dilakukan  simulasi  didapatkan kecepatan  yang  paling  tinggi  pada  permukaan  pipa condenser  berturut-turut  11  m/s,  12  m/s  dan  14.5  m/s. Dengan  kecepatan  yang  sudah  didapat  dari  simulasi kemudian  dilakukan  analisis  fatigue  terhadap  ketiga kondisi  penelitian.  Setelah  dilakukan  analisis  fatigue dengan penambahan sheet protection pada condenser, tube condenser  tidak  mengalami  kerusakan  dikarenakan tegangan yang terjadi berada di bawah kurva fatigue limit.
Kata  Kunci—condenser,  steam  deflector,  sheet  protection, software fluent

## I. P ENDAHULUAN
embangkit  Listrik  Tenaga Uap  (PLTU)  ini berbahan bakar  batu  bara  yang  di  kirim  melalui  laut  dengan bahan batu bara yang berasal dari Kalimantan.
Gambar 1. Posisi Turbin Ventilator Vave (TVV) pada system power plant
Posisi  Turbine  Ventilator  Valve  (TVV)  pada  system power  plant  secara  schematik  ditunjukan  pada  Gambar 1.1.  TVV  adalah  spring  opened,  air  closed,  poppet  type valve.  Fungsi  utamanya  adalah  untuk  menyediakan pendinginan  selama  turbine  trip.  TVV  dikontrol  oleh aktuator  yang  bekerja  dengan  udara  bertekanan  melalui solenoid valve dan digerakan oleh load reference.
Ketika  terjadi  turbine  trip,  bagian  HP  Turbine  akan overheat  akibat  dari  windtage  losses.  Untuk  mencegah hal  tersebut,  ventilator  valve  dipasang  pada  HP  Turbine dan  dikoneksikan  sedemikian  rupa  sehingga  dapat menarik  uap  dari  sisi  down-stream  untuk  dialirkan langsung menuju ke kondenser.
Gambar 2. Skema TVV pada P&I Diagram: (a) Pipa Extraction dari HP Turbine menuju ke TVV; (b) Pipa dari TVV menuju ke Kondenser
Uap  air  yang menuju ke TVV berasal dari pipa steam extraction pada HP Turbine seperti yang ditunjukan pada Gambar 1.2 (a). Pada kondisi operasi normal, TVV pada kondisi closed ,  dan  steam  extraction  dari  HP  Turbine menuju  ke  HP  7  Heater  berfungsi  untuk  memanasi  feed
P
water  heater.  TVV  pada  konsisi opened ,  hanya  terjadi bila turbin trip atau pada kondisi start-up.
Steam extracted melewati TVV mengalir melalui pipa dan  masuk  ke  dalam  kondenser  seperti  yang  ditunjukan pada  Gambar  3.2  (b).  Di  dalam  kondenser  uap dikondensasikan  untuk  disirkulasikan  kembali  sebagai feed water boiler.
Kerusakan    pipa  kondensor  pada  PLTU  disebabkan oleh  uap  yang  masuk  ke  dalam condenser dari turbine ventilator  valve (TVV)    memiliki  kecepatan  sebesar 1374,25  m/s,  sehingga  ketika valve dalam  keaadaan terbuka  uap  bertekanan  tinggi  akan  menghantam  pipa kondensor  yang  akan  menyebabkan  pipa  rusak.  Maka dari  itu  untuk  mengantisipasi  kerusakan  pipa  kondensor yang  disebabkan  oleh  uap  berkecepatan  tinggi  yang masuk  ke  dalam  kondensor  dibutuhkan  suatu  pelindung berupa  sheet  protection  agar  uap  berkecepatan  tinggi tersebut  tidak  langsung  menghantam  permukaan  pipa kondensor.  Selain  itu  diperlukan  pula  analisis  mengenai bagaimana  distribusi  kecepatan  uap  ketika  mengenai permukaan  pipa  kondensor,  distribusi  temperatur permukaan  pipa  kondensor,  distribusi  kecepatan  uap setelah  dipasangi  sheet  protection  dan  jarak  optimim penempatan  sheet  protection  terhadap  pipa  kondensor. Proses  analisis  fluida  dilakukan  menggunakan software fluent.

## II. M ETODE P ENELITIAN

## Pemodelan dan Simulasi
Pada  penelitian  ini  akan  dibandingkan  hasil  simulasi numerik  pada twin  shell  single  pressure surface condenser dengan  melakukan  variasi  geometri sheet protection .  Simulasi  numerik  adalah  sebuah  proses simulasi  berbasis  perhitungan  yang  dilakukan  oleh sebuah perangkat lunak komputer dengan mendefinisikan parameter-parameter  yang  sesuai  dengan  boundary conditions,  lalu  dilanjutkan  dengan  proses  iterasi  atau pengulangan  sampai  tercapainya  konvergensi  untuk mendapatkan  nilai  pendekatan  yang  signifikan.  Pada proses  numerik  terbagi  menjadi  3  tahapan,  yakni  Pre- Processing, Processing, dan Post Processing
Pre-processing  adalah  proses  awal  dari  suatu  simulasi Computational  Fluid  Dynamic  (CFD).  Pada  proses  ini dilakuakn  pembuatan  geometri  dan  menentukan  domain dari control volume yang akan disimulasikan. Proses Pre- Processing  seluruhnya  dilakukan  dengan  menggunakan perangkat lunak GAMBIT 2.4.6.
Control volume dibuat untuk mensimplikasi permasalahan  dalam  melakukan  simulasi.  Pemodelan dimulai dari tube ventilator sampai ke kondensor hingga aliran  menabrak  deflector.  Kecepatan  awal  telah diketahui  dari  data  PT.TJB  Power  Service  Jepara  Jawa Tengah.  Temperatur  di  dalam  tube  diasumsikan  sama disetiap  panjang  tube  sehingga  dapat  menggunakan  data CCR dari PT. TJB Power Service Jepara Jawa Tengah.
Distribusi  kecepatan  uap  ke  arah  bawah  setelah menabrak  steam  deflector  akan  dihitung  dalam  arah  3 dimensi  (3D).  Untuk  memudahkan  pendiskripsian distribusi kecepatan dipilih sumbu referensi seperti yang ditunjukan  pada  Gambar  3.2.Koordinat  (0,0,0)  dipilih merupakan  perpotongan  garis  lurus  (sumbu  Y)  yang ditarik kebawah dari pojok ujung sisi kiri deflector yang menempel  pada  bagian  dinding  sampai  ke  permukaan tumpukan pipa. Sumbu X adalah arah melintang terhadap
tumpukan  pipa  kondensor.  Sedangkan  sumbu  Z  adalah searah dengan panjang pipa kondensor. Sistem koordinat ditunjukan pada Gambar 3
Gambar 3. Sistem Koordinat Tanpa Penambahan Sheet Protection
Gambar 4. Sistem Koordinat dengan Penambahan Sheet Protection
Steam  deflector  berbentuk  empat  persegi  panjang dengan  panjang  sisinya  adalah  12  in  menempel  pada dinding kondensor dengan sudut 45 o kearah bawah. Z = 6 in  berada  pada  sumbu  bidang  miring  deflector. Permukaan tumpukan pipa kondensor paling atas berada pada jarak ketinggian Y = - 1,7 m dari ujung sisi bawah deflector.  Lokasi  pipa  bocor  berada  pada  jarak  x  antara 0,888  s/d  1,077  m,  Y  =  1,7  m  dari  ujung  sisi  bawah deflector,  dan  Z  =  6  in  =  0,15  m  dari  sisi  pojok  kiri deflector.  Pada  daerah  ini  akan  dianalisa  bagaimana bentuk distribusi kecepatannya dalam arah x, y, dan z.
Pembuatan meshing dilakukan  berdasarkan  dari geometri  kontrol  volume  dimana  ada  aliran  fluida didalamnya .  Mesh yang  digunakan  adalah  jenis Hexahedron-pave .  Fenomena  dan  karakteristik  aliran yang  akan  dianalisa  adalah  aliran  pada control  volume yang melewati deflector dari ventilator tube . Setelah  pembuatan  geometri  dan  proses meshing , dilakukan  proses  penentuan boundary  conditions . Kondisi  batas  yang  ditentukan  untuk  permodelan diinformasikan  pada  Tabel  1.  Setelah  dilakukan  proses penentuan conditions ,  geometri  model  disimpan  dan diekspor  dalam  bentuk file (*.msh)  agar  dapat  dibaca oleh perangkat lunak FLUENT.
T ABEL 1. S ETELAH DILAKUKAN PROSES PENENTUAN CONDITIONS

## Hasil dari Simulasi Awal
Gambar 6. Pathline Uap Setelah Mengenai Steam Deflector
Gambar 6 di atas menunjukkan bahwa steam menabrak steam  deflector  pada  kisaran  kecepatan  sebesar kecepatan  masukan.  Aliran  kemudian  terarah  ke  depan menguikuti sudut kemiringan penahan dengan kecepatan yang  menurun  yaitu  pada  kisaran  550  m/s.  Hal  ini disebabkan  tumbukan  yang  mana  sebagian  besar momentum menjadi tekanan total ketika menabrak steam deflector. Adapun sebagian steam dipancarkan ke bawah dan  kemudian  akan  mengenai  tube  dengan  kecepatan yang sudah jauh menurun sebagai berikut.
Gambar 7. Distribusi Kecepatan pada Permukaan Pipa Kondensor (y = -1.7 m dan z = 0)
III. A NALISIS D ATA DAN P EMBAHASAN
Pada  bab  ini  akan  dibahas  mengenai  hasil  simulasi numerik  tentang  pengaruh  distribusi  kecepatan  fluida (uap)  ketika  mengenai  permukaan  pipa  kondensor dengan  penambahan  sheet  protection  dan  tanpa penambahan  sheet  protection . Simulasi  numerik  telah dilakukan  dengan  menggunakan software FLUENT 6.3.26 dan pembuatan  geometri dan domain permodelan menggunakan software GAMBIT 2.4.6. Pengolahan data hasil simulasi CFD ditampilkan dalam bentuk kuantitatif dan  kualitatif.  Data  kuantitatif  akan  disajikan  dalam bentuk  grafik  dan  tabel,  sedangkan  data  kualitatif  akan disajikan  dalam  bentuk  kontur  ditribusi  kecepatan  dan vektor kecepatan.
Analisis  Visualisasi  Kontur  dan  Vektor  Kecepatan serta  Distribusi  Kecepatan  Uap    Ketika  Mengenai Pipa Kondensor dengan Penambahan  Sheet Protection pada y = -1 m
Gambar 8. Kontur Kecepatan pada Permukaan Pipa Kondensor dengan Penambahan Sheet Protection di y = -1 m
Gambar 9. Vektor Kecepatan pada Permukaan Pipa Kondensor dengan Penambahan Sheet Protection di y = -1 m
Gambar 10. Distribusi Kecepatan pada Permukaan Pipa Kondensor di z = 0 m, z = 0.15 m dan z = 0.3 m dengan Penambahan Sheet Protection di y = -1 m
Gambar  10  menunjukkan  distribusi  kecepatan  pada permukaan tube paling atas pada Sheet Protection y = -1 m  di  z  =  0  m,  z  =  0.15  m  dan  z  =  0.3  m.  Dari  grafik diatas  menunjukkan  bahwa  distribusi  kecepatan  uap meningkat dari x = 0 m dengan kecepatan sekitar 4.5 m/s dan  mencapai  puncak  di  x  =  1.1  m  dengan  kecepatan sekitar  10.8  m/s  kemudian  menurun  sampai  x  =  3  m dengan kecepatan sekitar 2.5 m/s.
Analisis  Visualisasi  Kontur  dan  Vektor  Kecepatan serta  Distribusi  Kecepatan  Uap    Ketika  Mengenai Pipa Kondensor dengan Penambahan  Sheet Protection pada y = -1.2 m
Gambar 12. Vektor Kecepatan pada Permukaan Pipa Kondensor dengan Penambahan Sheet Protection di y = -1.2 m
Gambar 13. Distribusi Kecepatan pada Permukaan Pipa Kondensor di z = 0 m, z = 0.15 m dan z = 0.3 m dengan Penambahan Sheet Protection di y = -1.2 m
Gambar  13  menunjukkan  distribusi  kecepatan  pada permukaan tube paling atas pada Sheet Protection y = -1 m  di  z  =  0  m,  z  =  0.15  m  dan  z  =  0.3  m.  Dari  grafik diatas  menunjukkan  bahwa  distribusi  kecepatan  uap meningkat  dari  x  =  0  m  dengan  kecepatan  sekitar  5  m/s dan  mencapai  puncak  di  x  =  1.1  m  dengan  kecepatan sekitar  12.5  m/s  kemudian  menurun  sampai  x  =  3  m dengan kecepatan sekitar 2.5 m/s.
Analisis  Visualisasi  Kontur  dan  Vektor  Kecepatan serta  Distribusi  Kecepatan  Uap    Ketika  Mengenai Pipa Kondensor dengan Penambahan  Sheet Protection pada y = -1.5 m
Gambar 14. Kontur Kecepatan pada Permukaan Pipa Kondensor dengan Penambahan Sheet Protection di y = -1.5 m
Gambar 15. Vektor Kecepatan pada Permukaan Pipa Kondensor dengan Penambahan Sheet Protection di y = -1.5 m
Gambar 16. Distribusi Kecepatan pada Permukaan Pipa Kondensor di z = 0 m, z = 0.15 m dan z = 0.3 m dengan Penambahan Sheet
Protection di y = -1.5 m
Gambar  16  menunjukkan  distribusi  kecepatan  pada permukaan tube paling atas pada Sheet Protection  y = -1 m  di  z  =  0  m,  z  =  0.15  m  dan  z  =  0.3  m.  Dari  grafik diatas  menunjukkan  bahwa  distribusi  kecepatan  uap meningkat  dari  x  =  0  m  dengan  kecepatan  sekitar  5  m/s dan  mencapai  puncak  pertama  di  x  =  0.6  m  dengan kecepatan sekitar 10 m/s kemudian menurun sampai x = 0.9  m  dengan  kecepatan  sekitar  8  m/s.  Kemudian distribusi  kecepatan  uap  kembali  meningkat  sampai  x  = 1.25  m  dengan  kecepatan  15  m/s  dan  menurun  sampai dengan x = 3 dengan kecepatan 2 m/s.
Analisis  Siklus  dan  Tegangan  Aktual  yang  Terjadi pada Permukaan Pipa Kondensor dengan Penambahan Sheet Protection
Fatigue  adalah  kerusakan  yang  terjadi  akibat  beban yang  berulang-ulang.  Fatigue  digambarkan  dalam  kurva S-N  dimana  sumbu  absis  menyatakan  jumlah  dalam cycles dan sumbu ordinat menyatakan tegangan.
T ABEL 1. P ERHITUNGAN S IKLUS DAN T EGANGAN A KTUAL
Gambar 17. S-N Diagram dengan Sheet Protection di y = -1 m
Dari gambar 17 dapat dilihat bahwa dengan Sx sebesar 284.24  MPa  dan  jumlah  siklus  sebesar  9.268x10 6 maka material  berada  di  dalam  kurva  fatigue  yang  diijinkan sehingga pipa tidak mengalami kerusakan.
Kondisi
Vo (m/s) V (m/s) t1 (s) t2 (s) Tx  (s) Nx (siklus) Sx (MPa) Dengan Sheet y = -1 m 565.23 11 0.0059 0.00613 56814 9268189.233 284.2416 Dengan Sheet y = -1.2 m 565.23 12 0.00589 0.00614 56814 9253094.463 283.9128 Dengan Sheet y = -1.5 m 565.23 14.5 0.005864 0.006172 56814 9205119.896 282.8669
Dari gambar 18 dapat dilihat bahwa dengan Sx sebesar 283.91  MPa  dan  jumlah  siklus  sebesar  9.253x10 6 maka material  berada  di  dalam  kurva  fatigue  yang  diijinkan sehingga pipa tidak mengalami kerusakan.
Gambar 19. S-N Diagram dengan Sheet Protection di y = -1.5 m
Dari gambar 19 dapat dilihat bahwa dengan Sx sebesar 282.86  MPa  dan  jumlah  siklus  sebesar  9.205x10 6 maka material  berada  di  dalam  kurva  fatigue  yang  diijinkan sehingga pipa tidak mengalami kerusakan.

## IV. K ESIMPULAN /R INGKASAN
Berdasarkan  pembahasan  tentang  simulasi  distribusi kecepatan aliran uap melalui turbin ventilator valve yang mengenai permukaan pipa kondensor dengan penambahan sheet protection pada ketinggian y = -1 m, y = -1.2 m dan y = -1.5 m yang telah dibahas pada bab-bab sebelumnya  maka  didapatkan  beberapa  kesimpulan diantaranya:
1. Kecepatan  uap  masuk  ke  condenser  dan  menabrak deflector  dengan  kecepatan  sebesar  1374.25  m/s  dan kualitas  campuran  uap  sebesar  88%.  Setelah disimulasikan  kecepatan  uap  pada  saat  menabrak permukaan  pipa  condenser  tanpa  penambahan  sheet protection sebesar 130 m/s.
2. Dari proses simulasi menggunakan Fluent didapatkan kecepatan uap maksimum menabrak pipa pada posisi x  = 0.8  m sampai  dengan  x = 1.07  m  dengan  variasi penempatan ketinggian sheet protection y = -1 m, y = -1.2  m  dan  y  =  -1.5  m  secara  berturut-turut  adalah sebesar 11 m/s, 12 m/s dan 14.5 m/s.
3. Berdasarkan  analisis  kekuatan  material,  tegangan yang  diperbolehkan  untuk  beban  periodik  1.14x10 7 siklus  sebesar  300  MPa.  Sedangkan  tegangan  actual yang  terjadi  didapatkan  dari perhitungan  sebesar  323 MPa, karena tegangan actual yang terjadi lebih besar dari  tegangan  yang  diperbolehkan  maka  pipa mengalami kerusakan.
4. Untuk  mencegah  terjadinya  kerusakan  pada  pipa condenser maka perlu dipasang sheet protection yang diletakkan  diatas  pipa.  Dengan  kecepatan  uap menabrak pipa pada posisi x = 0.8 m sampai dengan x =  1.07  m  sudah  didapatkan  pada  poin  2,  maka tegangan yang terjadi berturut-turut sebesar 284.2416 MPa untuk y = -1 m, 283.9128 MPa untuk y = -1.2 m dan 282.2669 MPa untuk y = -1.5 m. Ketiga tegangan yang  terjadi  nilainya  masih  lebih  kecil  dari  tegangan yang  diijinkan  sehingga  pipa  condenser  tidak mengalami kerusakan.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Tim  penulis  mengucapkan  terima  kasih  kepada Jurusan  Teknik  Mesin  FTI-ITS  yang  telah  memberikan dukungannya terhadap penelitian ini

## D AFTAR P USTAKA
[1] Fox,  Robert  W.,  Pritchard,  P.J.  dan  McDonald,  Alan  T.  2010. Introduction  to  Fluid  Mechanics  (7th  Edition).  Asia:  John  Wiley & Sons.
[2] Incropera,  Frank  P.,  De  Witt,  David  P.  (2002).  Fundamental  of Heat and Mass Transfer. New York: John Wiley & Sons Inc.B.
[3] Kitto,  J.B.  dan  S.C.  Stultz.  2005.  Steam  Its  Generation  an  Use. Amerika: The Babcock & Wilcox Company.
[4] Sinha, Ashwini K. (2010). Aspects of Failure of Condenser tubes and their Remedial Measures at Powerplants India: NETRA.
[5] Sinha, Ashwini K. (2010). Aspects of Failure of Condenser tubes and their Remedial Measures at Powerplants India: NETRA.